介绍

所有电子产品在其使用寿命期间都会受到冲击和振动。力量的范围可以从携带在口袋或背包中的移动消费产品所经历的运动到工业设备或航空航天应用的高振动水平。即使建筑物中的固定产品也可能会受到附近风扇或其他设备的振动。因此，重要的是要考虑晶振等电子元件在存在冲击和振动时的性能。表1显示了各种环境中的典型加速度水平。

冲击和振动会对元件和外壳造成物理损坏，导致PCB组件中的焊点失效，并降低电子元件的性能。时钟振荡器容易受到几种不利影响：谐振器损坏，相位噪声和振动引起的抖动，以及来自冲击的频率尖峰。

石英振荡器中的晶体谐振器是悬臂结构，对振动造成的损坏特别敏感。由于两个原因，ILSI MMD MEMS谐振器基本上更加稳健。首先，它们具有比石英谐振器小得多的质量，这减小了由振动引起的加速度施加到谐振器的力。其次，ILSI MMD MEMS振荡器的专有设计包括非常硬的谐振器结构，其以体模式在平面内振动，具有固有的抗振动几何结构，以及振荡器电路设计，其最小化振动下的频率偏移。

测试条件

由于外力可以在方向，持续时间和强度上变化，因此在各种测试条件下测量振荡器的电响应非常重要，以充分了解它们对冲击和振动的敏感性。ILSI MMD评估了石英晶体振荡器对三种不同振动或冲击模式的响应：（1）正弦振动，（2）随机振动和（3）脉冲冲击冲击。经过测试的设备都是商用产品，包括来自ILSI MMD和竞争对手的基于MEMS的振荡器，以及来自几家制造商的基于石英的振荡器。我们包括具有表面声波（SAW）晶体谐振器的石英振荡器，已知在高工作频率下具有低抖动。

正弦振动

第一次测试测量了频率范围为15 Hz至2 kHz的正弦振动响应。正弦振动的周期性质产生频率调制，其在由振动频率抵消的频率处引起相位噪声频谱中的杂散。为了表征振荡器对振动的敏感性，以dBc为单位的振动引起的相位噪声杂波被转换为十亿分之一（ppb）的等效频移，然后通过正弦振动的峰值加速度进行归一化，并以ppb/g表示。

振动测试装置由控制器，功率放大器和振动器组成，如图1和图2所示。每个正弦振动频率（15,30,60,100,300,600,1000和2000Hz）的峰值加速度为4-g ）。每次扫描振动频率大约需要15到20分钟，每个频率点的停留时间约为1分钟。振荡器对外力的响应是各向异性的，即它取决于振动的方向。因此，在x，y和z方向上重复测试，参考封装上的器件引脚1标记和图1所示的方向。这些图显示了每个振荡器的最坏情况方向的数据。

随机振动

振荡器在使用期间可能经历随机振动，其频率范围从几Hz到几kHz。这些振动会增加宽带相位噪声。有几个标准规定了随机振动曲线的测试条件，这些曲线随预期的操作环境或测试的电子设备类型而变化。未找到参考源..我们根据MIL-STD-883H [2]，方法2026进行了测试，因为该标准最适用于电子元件。该标准规定了振动曲线，并允许各种强度等级（见图3）。条件B，复合功率水平为7.5-g rms，适用于高振动的移动环境。图1测试装置中的控制器使用数字信号处理来合成指定频率范围内的随机振动，

随机振动导致与振动频率对应的偏移处的相位噪声增加。我们使用和不使用随机振动测量每个振荡器的相位噪声，并计算从15Hz到10kHz的积分相位抖动值。然后可以从两个值之间的均方根差导出诱导的抖动。

休克

第三次测试测量了操作期间响应冲击影响的瞬态频率偏差。该测试遵循MIL-STD-883H [2]，方法2002的规范，我们监测瞬态频率响应为1毫秒半正弦波冲击脉冲，加速度为500克。

MIL-STD-883H [2]，方法2002标准被广泛用于在非工作模式下测试石英晶体振荡器在机械冲击下的生存能力。大多数商用石英晶体振荡器在环境鉴定试验中规定为100-g至1500-g，而ILSI MMD MEMS振荡器已达到10,000-g至50,000-g机械冲击的环境认证。

冲击测试设置如图4和图5所示。与振动测试方法类似，我们将振荡器定向为在x，y和z方向上施加冲击并测量最坏情况。连续每100μs进行一次频率测量，持续10秒，提供冲击影响之前，期间和之后的频率响应数据。

实验结果

正弦振动

图6显示了受到正弦振动的石英，SAW和MEMS差分振荡器的振动灵敏度结果。ILSI MMD MEMS振荡器的性能比其他器件高出10到100倍。其他基于MEMS的振荡器MEMS 2具有不同的谐振器设计和平面外振动模式，其振动灵敏度与石英相似和SAW滤波器设备。

单端振荡器对正弦振动不太敏感，如图7中的数据所示，石英和MEMS性能之间的差异并不那么显着。然而，在本研究中，ILSI MMD器件仍然优于石英振荡器。

随机振动

随机振动在载波频率的低偏移处引起相位噪声，如图8中蓝色（无振动）和红色（带振动）曲线之间的差异所示。虽然ILSI MMD MEMS振荡器在接近相位噪声时表现出更高的相位噪声。在安静的环境中测试，添加随机振动不会显着增加相位噪声。相比之下，两种基于SAW的器件在随机振动下都显示出相位噪声的显着增加。这种降级水平可能对对近距离相位噪声敏感的系统有害，并显示实际条件下的器件可能与数据表规格的不同。

八个差分振荡器的诱导抖动计算结果如图9所示。尽管在实验室环境中测试时，许多振荡器都表现出低相位噪声，但考虑随机振动引起的额外抖动非常重要。大多数测试的振荡器表现出明显的抖动增加，从近20到超过100ps rms。相比之下，SiTime MEMS振荡器相对不受随机振动的影响。

休克

比较差分振荡器冲击测试的最大瞬态频率偏差的总体结果如图10所示.SAW器件（石英4和石英7）对冲击特别敏感，瞬态频率尖峰超过10ppm。其他石英器件表现出2至7ppm的峰值频率偏差。唯一的例外是ILSI MMD设备，它表明瞬态频率偏差小于1ppm。图11中单端LVCMOS振荡器的结果证实了ILSI MMD MEMS振荡器的抗冲击性。

对于所有测试的八个差分晶振，图12中显示了实验中记录的频率稳定性与时间的关系图。表示在x，y或z方向上施加的冲击脉冲的迹线叠加在相同的刻度上以显示方向对抗冲击性的影响。

结论

在实验室环境中表现良好的电子元件在存在冲击和振动的现实条件下可能不会表现出相同的性能。ILSI MMD MEMS振荡器在冲击和振动的可生存性方面实现了非常高的质量和环境可靠性评级。现在，关于冲击和振动测试中的相位噪声和抖动测量的实验数据表明ILSI MMD MEMS振荡器，有源晶振不仅能够存活，而且在这些条件下表现非常好。这种对机械冲击和振动的抵抗是MEMS器件技术的基本进步和ILSI MMD专有的MEMS谐振器设计和精密振荡器模拟电路的结果。